PImpl(Pointer to Implementation)指向实现的指针 [使用ChatGPT学习系列]

PImpl是Pointer to Implementation的缩写，也被称为“编译期实现”，是一种C++设计的模式。 用于将类的实现细节与其公共接口分离开来。该模式的核心思想是 通过一个指向类的实现的指针来隐藏类的实现细节，从而提高类的封装性和安全性。

PImpl是一种C++编程技巧，它将类的实现细节从对象表示中移除，放到一个分离的类中，并以一个不透明的指针进行访问。 此技巧用于构造拥有稳定 ABI 的 C++ 库接口，及减少编译时依赖。

【拓展：ABI指的是Application Binary Interface，是应用程序二进制接口的缩写。ABI定义了应用程序与操作系统或库之间的二进制接口规范，包括二进制数据格式、调用约定、符号命名规则等方面的规定。这些规定是保证不同的二进制模块能够相互调用和兼容的重要保障。

在编译程序时，编译器会按照ABI规范生成二进制代码，而在链接时，链接器会根据ABI规范将不同的二进制模块合并成可执行程序或共享库。因此，遵守ABI规范可以保证二进制模块的互操作性和可移植性，降低软件开发和维护的成本，同时也能提高系统的稳定性和安全性】

一.PImpl的好处

使用PImpl模式的好处是：

1. 可以避免对实现细节的公开，从而减少了头文件中的依赖项和编译时间，并且使得类的实现可以更加灵活和方便地修改，而不会影响其公共接口。

在使用PImpl模式时，通常需要将类的实现细节封装在一个单独的结构体或类中，称为“实现类”或“pImpl类”，然后通过一个指向该实现类的指针来访问实现细节。这个指针通常作为 类的私有成员变量，并在类的构造函数和析构函数中进行初始化和清理。这样，当类的实现细节发生变化时，只需要修改实现类而不需要修改公共接口，从而实现了类的高内聚低耦合的设计目标。

2.使用PImpl模式还可以降低类的二进制兼容性问题，因为类的公共接口不受实现细节的影响，减少编译时依赖。

因为类的私有数据成员参与其对象表示，影响大小和布局，也因为类的私有成员函数参与重载决议（这会在成员访问检查之前发生），因此对实现细节的任何更改都要求该类的所有用户重新编译。

pImpl 打破了这种编译依赖；实现的改动不会导致重编译。结果是，如果某个库在其 ABI 中使用 pImpl，那么这个库的新版本可以更改实现，并且与旧版本保持 ABI 兼容。

二.示例代码

在下面的代码中，我们使用了std::unique_ptr智能指针来管理指向实现类的指针。因为 std::unique_ptr要求被指向类型在任何实例化删除器的语境中均为完整类型，所以特殊成员函数必须由用户声明，并在实现文件（实现类完整处）中类外定义。

在Widget类的构造函数中，我们使用了std::make_unique函数来创建一个新的WidgetImpl对象，并将其传递给智能指针。

在Widget类的拷贝构造函数中，我们使用了std::make_unique和拷贝构造函数来创建一个新的WidgetImpl对象，并将其传递给智能指针。

在Widget类的赋值操作符中，我们使用了智能指针的默认赋值操作符来赋值实现类的指针。需要注意的是，在Widget类的析构函数中，我们不需要手动释放指向实现类的指针，因为智能指针会自动管理其生命周期，确保在Widget对象被销毁时自动释放实现类的资源。

// Widget.h

class Widget
{
public:
    Widget();
    ~Widget();

    Widget(const Widget& other);
    Widget& operator=(const Widget& other);

    void doSomething();

private:
    class WidgetImpl;  // 前向声明

    std::unique_ptr pImpl;  // 指向实现类的智能指针
};

// Widget.cpp

#include "Widget.h"

class Widget::WidgetImpl
{
public:
    void doSomethingImpl();
};

//初始化指针
Widget::Widget() : pImpl(std::make_unique())
{
}

Widget::~Widget()
{
}

//拷贝构造
Widget::Widget(const Widget& other)
        :pImpl(std::make_unique(*other.pImpl))
{
}
//赋值构造
Widget& Widget::operator=(const Widget& other)
{
    *pImpl = *other.pImpl;
    return *this;
}

//调用WidgetImpl的方法
void Widget::doSomething()
{
    pImpl->doSomethingImpl();
}

void Widget::WidgetImpl::doSomethingImpl()
{
    // 实现具体的功能
}

三.PImpl的替代方案

内联实现：私有成员和公开成员是同一类的成员

纯虚类(OOP工厂)：用户获得到某个轻量级或纯虚的基类的唯一指针，实现细节则处于覆盖其虚成员函数的派生类中。

简单情况下，PImpl 和工厂方法 都会打破实现和类接口的用户之间的编译时依赖。 工厂方法创建对虚表的一次隐藏依赖，故而对虚函数进行重排序、添加或移除都会打破 ABI。

有一些信息是从ChatGPT获取的，更多信息参见：https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/pimpl

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